Ảnh hưởng của chùm laser lên động học của vi cầu polystyrene gắn với phân tử ADN trong kìm quang học

Phương trình Langevin tổng quát mô tả động học của vi cầu liên kết với phân tử ADN dạng chuỗi con sâu trong kìm quang học đơn chùm đã được dẫn ra và chuẩn hóa. Sử dụng phương pháp Runger-Kutta, động học của vi cầu polystyrene gắn liên kết với phân tử ADN chủng lambda đã được khảo sát.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ảnh hưởng của chùm laser lên động học của vi cầu polystyrene gắn với phân tử ADN trong kìm quang họcNghiên cứu khoa học công nghệ ẢNH HƯỞNG CỦA CHÙM LASER LÊN ĐỘNG HỌC CỦA VI CẦU POLYSTYRENE GẮN VỚI PHÂN TỬ ADN TRONG KÌM QUANG HỌC Bùi Xuân Kiên1*, Hồ Quang Quý2 Tóm tắt: Phương trình Langevin tổng quát mô tả động học của vi cầu liên kết với phân tử ADN dạng chuỗi con sâu trong kìm quang học đơn chùm đã được dẫn ra và chuẩn hóa. Sử dụng phương pháp Runger-Kutta, động học của vi cầu polystyrene gắn liên kết với phân tử ADN chủng lambda đã được khảo sát. Kết quả cho thấy, thời gian chuyển động vào tâm kìm và vận tốc tức thời của vi cầu này thay đổi phụ thuộc vào cường độ đỉnh và bán kính thắt chùm của chùm laser ứng dụng trong kìm. Cuối cùng, sự ổn định của vi cầu tại vị trí ổn định cũng được khảo sát và bình luận.Từ khóa: Kìm quang học; Động học vi hạt; Quan hệ lực đàn hồi và độ giãn. 1. MỞ ĐẦU Phân tử ADN là đối tượng được quan tâm nghiên cứu trong sinh học. Các công trìnhtrước đây đã tập trung khảo sát bằng thực nghiệm và xây dựng lý thuyết về mối quan hệgiữa lực căng và độ căng của phân tử ADN [1]-[8]. Quá trình nghiên cứu này được sự hỗtrợ của kìm quang học [1]-[19]. Cùng với thực nghiệm, nhiều công trình lý thuyết đã sửdụng phương trình Langevin để khảo sát quá trình động học của vi cầu dưới tác động củakìm quang học bằng phương pháp phần tử hữu hạn [11, 18, 20, 21]. Để giải bài toán này,các nghiên cứu trước đây đã bỏ qua thành phần quán tính trong phương trình Langevin vớigiả thiết khối lượng của vi cầu quá nhỏ [21, 22]. Hơn thế nữa, quan hệ giữa lực đàn hồi vàđộ căng được làm gần đúng với giả thiết chiều dài ổn định của phân tử ADN nhỏ hơnnhiều so với chiều dài tổng của nó [2], [4], [13], do đó, không thể phản ánh đúng bản chấtcủa phân tử ADN dạng chuỗi con sâu [23]. Để mô tả chính xác hơn về quan hệ lực đàn hồivà độ căng, hệ thức này đã được hiệu chỉnh với độ căng là x-Lb, trong đó, Lb là chiều dàiổn định [2] thay cho x [23]. Hơn thế nữa, các công trình trước đây đều khẳng định vi cầugắn với phân tử AND được giữ ổn định tại tâm của kìm quang học. Xét theo nguyên lý cânbằng lực thì nhận định này chỉ xẩy ra đối với vi cầu tự do [21, 22], mà không thể xẩy rađối với vi cầu bị tác động bởi các lực cạnh tranh. Với các lý do trên, điều cần thiết phảikhảo sát quá trình động học của vi cầu gắn với phân tử ADN trong kìm quang học. Nội dung của bài báo sẽ tập trung dẫn phương trình Langevin chuẩn hóa và khảo sátthời gian chuyển động của vi cầu polystyrene gắn với phân tử ADN chủng lambda từ điểmban đầu đến tâm kìm, sự thay đổi vận tốc trong quá trình chuyển động đó và trạng thái ổnđịnh tại tâm kìm, ảnh hưởng của chùm laser lên các đặc trưng động học đó. 2. PHƯƠNG TRÌNH LANGEVIN CHUẨN HÓA TỔNG QUÁT Mẫu vi cầu gắn với phân tử ADN đặt trong kìm quang học đơn xung laser được thểhiện trên hình 1. Giá thiết một phân tử ADN dạng chuỗi con sâu được gắn với hai vi cầu ởhai đầu. Vi cầu ở đầu cố định được neo vào kính đặt mẫu gọi là vi cầu tĩnh, vi cầu ở đầuthứ hai được tự do, gọi là vi cầu động. Khi đặt phân tử ADN có gắn các vi cầu vào trongvết chùm laser, thì vi cầu động sẽ bị tác động bởi hai lực, lực đàn hồi của phân tử ADNkéo về vị trí ban đầu và lực quang học sẽ kéo vào tâm kìm. Theo nguyên lý hoạt động của kìm quang học, ngoài hai lực trên, vi cầu động còn bị tácđộng bởi lực Brown, khi nó được nhúng trong chất lưu có chiết suất nhỏ hơn chiết suất củanó. Giả sử rằng tại thời điểm ban đầu vị trí của vi cầu động cách vi hạt tĩnh một khoảngTạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017 161 Vật lý Hình 1. Mẫu kìm quang học cho khảo sát động học vi cầu.bằng chiều dài cố định của phân tử ADN, tương ứng với tọa độ hướng tâm  0 . Dưới tácđộng của quang lực gây ra bởi chùm laser có cường độ đỉnh I0 và bán kính thắt chùm W0,vi cầu động sẽ chuyển động về phía tâm kìm, tương ứng với tọa độ =0. Trong thời gianchuyển động từ vi trí  0 đến tâm kìm, vị trí tức thời của vi cầu động được xác định thôngqua tọa độ i (hình 1). Do tác động của các lực, chuyển động của vi cầu động được mô tảtheo phương trình Langevin tổng quát sau [21]: m(t )   (t )  Fgr ,  (  (t ))  Fel (  (t ))  2k BT  W (t ) (1)trong đó, m là khối lượng vi cầu;   6 a là hệ số ma sát nhớt;  là độ nhớt của chấtlưu, a là bán kính vi cầu, k B là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối, W (t ) lànhiễu trắng,  là tọa độ vị trí của vi cầu động, ba số hạng cuối bên phải phương trìnhtương ứng là lực quang học, lực đàn hồi và lực Brown. Lực quang học tác động lên vi cầu động là lực gradient ngang được xác định như sau: ...